Gene expression of extracellular matrix proteins during early fracture healing after systemic administration of growth hormone - analysis in a rat model

Einleitung: Zahlreiche in vivo Studien der letzten Jahrzehnte zeigten, dass die exogene Applikation von Wachstumshormon die Knochenheilung beschleunigen kann. Welche genauen molekularen Effekte dieser Wirkung zugrunde liegen, blieb jedoch ungeklärt. Ziel dieser Studie war es, anhand von spezifischen RNA-Sonden für ausgewählte, an der Knochenheilung beteiligte Extrazelluläre Matrixproteine, die Wirkung von systemisch applizierbarem Wachstumshormon auf die Knochenheilung auf histologischer Ebene am Rattenosteotomiemodell zu beschreiben. Material und Methoden: Bei adulten Sprague-Dawley Ratten (weiblich, n=30) wurde eine standardisierte Osteotomie von 0,3 mm Spaltbreite erzeugt und mittels monolateralem Fixateur externe stabilisiert. Es wurden zwei Hauptgruppen mit den Standzeiten 7, 14 und 21 Tage (n=5) analysiert: Gruppe I: 3 mg/Kg/d rhGH s. c. Gruppe II: NaCl s. c. (Placebo) 2 x täglich In Situ Hybridisierung wurde mit Digoxigenin-markierten RNA-Sonden auf 4 μm dicken Paraffinserienschnitten durchgeführt. Fünf knochenrelevante Matrixproteine wurden dargestellt: α1 Kollagen I und II als Marker osteogener bzw. chondrogener Zellen, Osteocalcin als Marker osteoblastärer Zellen sowie Osteopontin und Osteonectin als Marker mineralisierender Zellen. Ergebnisse: Nach 7 Tagen konnte in den osteoblastären und chondrozytären Zellen eine deutlich stärkere Signalaktivität für alle Extrazellulären Matrixproteinen in der Wachstumshormongruppe beobachtet werden. Nach 14 Tagen nahm die Expression für α1 Kollagen Typ I, Osteocalcin und Osteonectin-mRNA in der GH-Gruppe weiterhin zu, während eine deutliche Abnahme der Expression für Osteopontin und α1 Kollagen Typ II zu verzeichnen war. In der Placebo-Gruppe zeigte sich zu diesem Zeitpunkt eine wiederum erhöhte Signalaktivität für die beiden mRNA. Nach 21 Tagen fand sich in der GH-Gruppe eine annähernd gleiche Signalaktivität für α1 Kollagen Typ I und Osteocalcin-mRNA bei deutlicher Abnahme der Expression von Osteopontin, Osteonectin und α1 Kollagen Typ II-mRNA. In der Placebo-Gruppe zeigte sich in diesem Zeitraum ein tendenzieller Anstieg der Expression von Osteonectin-mRNA. Diskussion: Im Rahmen dieser Studie wurde der in vivo Einfluss von exogen verabreichtem Wachstumshormon auf die Bildung Extrazellulärer Matrixproteine während der Knochenheilung untersucht. Die Ergebnisse lassen rückschließen, dass die exogene Applikation von Wachstumshormon seine positive Wirkung auf die Knochenheilung durch die frühzeitige Erhöhung der Syntheseaktivität von Extrazellulären Matrixproteinen sowie die Beschleunigung der Zellproliferation und -differenzierung und somit der Abfolgen der Phasen der Knochenheilung entfaltet. Berücksichtigt man die Nebenwirkungen der systemischen Applikation von Wachstumshormon, so ist sein Einsatz zur Beschleunigung der Frakturheilung beim Menschen eher nicht zu befürworten. Stattdessen wäre eine lokale, protrahierte Verabreichung von Wachstumshormon, entweder allein über eine Injektion/Pumpe oder mit Trägermaterialien (Osteosynthesematerial, Membranen etc), welche mit einer Reduktion der verwendeten Hormonmenge und systemischen Nebenwirkungen einhergehen würde, vielversprechend.Introduction: In vivo studies have shown that GH can accelerate bone healing. However, the precise molecular effects underlying this fact remained unclear. The aim of this study was to describe the effect of systemically applied GH on bone healing at histological level in a rat osteotomy model, based on the analysis of specific ECMP-RNA probes involved in the healing cascade. Material and methods: In adult Sprague-Dawley rats (female, n = 30) a standardized 0.3 mm osteotomy was applied and stabilized with fixateur externe. Two groups of 7, 14 and 21 days lifetime (n = 5) were analyzed: Group I: 3 mg / kg / d rhGH s. c. Group II: NaCl s. c. (Placebo) twice daily ISH was performed with digoxigenin-labeled RNA probes on 4 μm paraffin sections. Five ECMP were described: α1 Collagen I and II as markers of osteogenic and chondrogenic cells, osteocalcin as marker of osteoblastic cells and osteopontin and osteonectin as markers of mineralizing cells. Results: After 7 days, significantly stronger signal activity was observed in osteoblast and chondrocytic cells for all ECMP in the GH group. After 14 days, the expression of α1 collagen type I, osteocalcin and osteonectin mRNA increased further, while there was a marked decrease in the expression of osteopontin and α1 collagen type II. At the same time in the placebo group an increased signal activity was shown for these mRNAs. After 21 days, the GH group showed the same signal activity for α1 collagen type I and osteocalcin mRNA whereas a decrease in the expression of osteopontin, osteonectin and α1 collagen type II mRNA was seen. In the placebo group, a mild increase in the expression of osteonectin mRNA was shown during this period. Discussion: In this study, the in vivo influence of GH on the formation of ECMP during bone healing was investigated. The results suggest that GH exerts its beneficial effect on bone healing through the early enhancement of the synthesis activity of ECMP, the acceleration of cell proliferation and differentiation and thus the succession of the phases of bone healing. Considering the side effects of the systemic administration of GH, its use in humans is rather not to be advocated. Instead, a local, protracted administration of GH, either via an injection / pump or with support materials (osteosynthesis material etc.), which would result in a reduction of GH used and its systemic side effects, would be promising